Formamide in de rol van water bij het ontstaan van leven op Aarde?


Water versus formamide

Recent wetenschappelijk onderzoek laat vermoeden dat formamide een rol zou kunnen hebben gespeeld als alternatief voor water en als oplosmiddel heeft gediend voor complexe organische moleculen, bouwstenen bij het ontstaan van het eerste leven op Aarde.

Formamide
Formamide

Volgens de huidige kennis van zaken is de aanwezigheid van water een conditio sine qua non voor het ontstaan van leven, gaande van het eenvoudigste ééncellige organisme tot de meest complexe levensvorm. De zoektocht naar buitenaards leven is bijgevolg gelinkt aan het speuren naar water. Immers water is het oplosmiddel voor levensnoodzakelijke moleculen zoals aminozuren en suikers. Op niveau van de cel zorgt water ook voor het transport van voedingstoffen en van moleculen die intercellulaire communicatie mogelijk maken.

Water
Water

Water vertoont echter de eigenschap om hydrolysereacties aan te gaan. Pro memorie hydrolyse is de splitsing van een chemische verbinding onder opname van water. In deze context een minder prettig kantje. Want bij deze breekt water nucleïnezuren en eiwitten af, en dat zijn juist de bouwstenen die leiden tot het ontstaan van leven. Ergo de hamvraag: hoe kon er ooit onder deze omstandigheden een ééncellig organisme ontstaan? Maar misschien opent formamide hier perspectieven…

Chemie als aanzet

Onderzoek op de Maan heeft uitgewezen dat ongeveer vier miljard jaar geleden de Aarde onderhevig is geweest aan een meer dan gemiddeld aantal inslagen van grote meteorieten. Meer dan gemiddeld betekent hier één keer per honderd jaar, dat is relatief veel; en er waren wel enorme kanjers bij.

Deze grote meteorieten waren rijk aan koolstof, de aardse atmosfeer bevat stikstof, en waterstof komt een beetje overal voor zodat een mogelijk reactieproduct blauwzuur is. Vulkanische activiteit op de nog jonge en hete aardbol bespoedigden dit proces. Mede indachtig dat chemische reacties sneller verlopen bij hogere temperatuur en druk wil zeggen dat de jonge Aarde een geknipt milieu was.

Waterstofcyanide
Waterstofcyanide

Blauwzuurmoleculen worden ten andere ook gedetecteerd in de interstellaire ruimte en in nevels. Wat erop wijst dat het beschreven scenario wellicht universeel is.

Zijn we zo aan formamide toe? Bijna: als blauwzuur water opneemt (een hydrolyse), dan is formamide het reactieproduct.

Ziehier de reactie: HCN + H2O => CH3NO

Het is echter niet zo simpel als voorgesteld in bovenstaande reactievergelijking, de synthese van formamide vraagt namelijk behoorlijk wat energie. Bij de natuurlijke vorming van formamide werden chemische reacties aangezwengeld middels de energetische inbreng van radioactieve elementen aanwezig in gesteenten. In dit milieu zou formamide in voldoende hoge concentratie zijn gevormd om als solvent te gaan fungeren.

Chemisch onderzoek heeft aangetoond dat formamide in aanwezigheid van sommige mineralen zoals titaniumdioxide [TiO2], montmorilloniet [een gehydrateerd Na-Ca-Al-Mg-silicaat], monaziet [een fosfaat van zeldzame aardmetalen], apatiet [een chloor- en fluorhoudend Ca-fosfaat], ijzerhoudende mineralen en zirkoonsilicaat [ZrSiO4] tot de vorming kan leiden van suikers en nucleobasen, de bouwstenen van RNA en DNA, en van aminozuren, de bouwstenen van eiwitten.

Hoe kon formamide gevormd worden onder de condities die heersten op de jonge Aarde? Want zoals eerder gezegd: er is behoorlijk wat energie nodig om formamide te vormen. En in de primitieve oceanen was de concentratie van formamide veel te laag, men vermoedt in de orde van grootte van één deeltje per miljoen. Om chemisch te kunnen reageren in aanwezigheid van eerder genoemde mineralen tot levensvatbare moleculen moeten de concentratie en de temperatuur naar omhoog. Tot waarden die niet haalbaar zijn in meren of oceanen, maar wel worden bereikt in hete modderpoelen in de buurt van geothermische activiteit.

Nucleaire energie als trigger voor leven?

Wetenschappers hebben inderdaad aangetoond dat formamide kan gevormd worden door chemische reactie van blauwzuur en water in aanwezigheid van radioactieve gesteenten. Op de primitieve Aarde zouden radioactieve mineralen door sedimentatie plaatselijk in voldoende hoge concentraties zijn voorgekomen, in zogenaamde “placers” zoals monaziet, dit is een fosfaat van cerium [Ce], thorium [Th], yttrium [Y] en lanthaan [La], het zeer radioactieve uraniniet of pekblende [UO2] en zirkoonsilicaat [ZrSiO4].

Vooral het zeer radioactieve uraniniet (het is een g-straler) - maar ook andere elementen zoals thorium - zouden de nodige warmte en energie leveren om te komen tot meer complexe levensvatbare moleculen. Je zou kunnen stellen dat dit model gebaseerd is op een 'natuurlijke kernreactor'. In de literatuur spreekt men van een 'nuclear geyser', een natuurlijk gevormde micro-splijtingsreactor.

Onderzoekers hebben verder vastgesteld dat wanneer je mineralen, die uranium en thorium bevatten, mengt met de elementen koolstof, waterstof, stikstof en zuurstof er dan een chemische 'voorloper' van formamide kan ontstaan, namelijk acetonitrile [C2H3N]. Een mogelijk scenario van hoe het op de pas gevormde Aarde zou kunnen gegaan zijn.

Acetonitril.jpg
Acetonitrile

Om deze hypothese te onderbouwen heeft men acetonitrile bestraald met g-stralen. Als resultaat werden er concentraties formamide gedetecteerd recht evenredig met de hoeveelheid bestraling. Gedetailleerde analyse van de reactieproducten middels gaschromatografie en massaspectrometrie heeft ook andere moleculen aangetoond zoals acetamide [CH3CONH2], N-methyl-acetamide [CH3CONHCH3] en N-methyl-formamide [C2H5NO]. Toch belangrijk want in contact met mineralen die fosfor bevatten, zouden deze laatste kunnen aan de basis liggen van insluiting van fosfaatgroepen (fosforylering); zo kunnen nucleotiden ontstaan, bio-organische verbindingen die de bouwstenen vormen van RNA en DNA.

Acetamide.jpg
Acetamide

N-methylacetamide.jpg
N-methylacetamide

Methylformamide.jpg
N-methylformamide

Verrassende conclusies

Dat op microschaal een andere molecule dan water aan de oorsprong zou liggen van levensvatbare scheikundige verbindingen is een fascinerende vaststelling. De zoektocht naar (buitenaards) leven was tot nog toe uitsluitend gebaseerd op het vinden van water.

Dat radioactiviteit wel eens een sleutelparameter zou zijn voor het ontstaan van leven is een schokkende gedachte. Veelal wordt radioactieve straling geassocieerd met dood en vernieling…

De modellen van het vermoedelijke verloop van deze reacties tussen chemische stoffen zijn gebaseerd op analyses van brokken meteorieten, op waarnemingen van nevels en sterrenstelsels en op geologische onderzoeken van gesteenten op Aarde, op de Maan en op Mars.

Veel is nog onzeker en dient te worden uitgeklaard door verder onderzoek, er is dus nog veel werk aan de winkel.

Zo zie je maar: wetenschap is nooit saai en blijft boeiend!

Bron: Lisa Kaspin-Powell, Why formamide may have been early life’s alternative to water in Astrobiology Magazine, 27 april 2018.

Tekst: Herman Schoups, 02/07/2018